摘 要

现阶段我国在交通运输方面取得了巨大的成就，尤其是电力机车的发展。电力机车属于大型运输工具，在运行过程中出现故障在所难免，其中部分维修任务需要维护人员登上机车顶部。但是电力机车的动力来源是带有25000V高压电的接触网，高压电对工作人员的安全造成一定威胁。因此，很有必要设计一套高压电检测及接地装置，保障工作人员的人身安全。

本论文旨在设计一套接触网高压检测及机车接地装置。论文主要从系统总体方案需求、机械接地装置、高压检测系统设计以及控制系统设计方面对整个装置进行了介绍。整套系统的作用是在作业人员登上车顶之前，对接触网有无高压电进行检测并强行将接触网接地,有效避免工作人员触电伤亡事故的发生。整套装置结构简单，操作方便，是电力机车维修人员的福音。

关键词：电力机车；接地装置；高压检测

Abstract

At this stage, China has made great achievements in transportation, especially the development of electric locomotives. Electric locomotives are large transport vehicles, in the course of the operation of the inevitable trouble, in which part of the maintenance tasks need to maintain the staff boarded the top of the locomotive. But the power locomotive power source is with 25000V high voltage catenary, high voltage on the safety of the staff caused a certain threat. Therefore, it is necessary to design a set of high-voltage detection and grounding devices to protect the personal safety of staff.

This paper aims to design a set of catenary high pressure detection and locomotive grounding device. The paper introduces the whole device from the design of the overall system, the mechanical grounding device, the design of the high pressure detection system and the design of the control system. The role of the whole system is in the operator before boarding the roof, the contact with the network whether the high-voltage detection and forced to contact the ground, effectively avoid the occurrence of accident casualties. The whole structure is simple, easy to operate, is the electric locomotive maintenance personnel of the Gospel.

Key words: electric locomotive; grounding device; high pressure detection

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 车顶高压报警器 1

1.2.2 铁路电力机车登顶作业安全监控装置 2

1.3 主要设计内容 2

1.3.1 接触网高压检测及机车接地装置的总体设计方案 2

1.3.2 安全报警装置的检测部分设计 2

1.3.3 机车接地装置机械部分设计 2

1.3.4 接触网高压检测及机车接地装置的控制部分设计 2

1.4 本章小结 3

第2章 系统总体需求及方案设计 4

2.1总体需求分析 4

2.2系统总体方案 4

2.2.1检测系统设计 4

2.2.2接地装置设计 5

2.2.3控制部分设计 5

2.3本章小结 6

第3章 机械接地装置设计 7

3.1 接地装置方案 7

3.1.1 方案一 7

3.1.2方案二 7

3.2接地方案选择 9

3.3接地设施 10

3.4本章小结 10

第4章 高压检测系统设计 11

4.1接触网有无高压电的检测 11

4.1.1静电感应原理 11

4.1.2场效应管传感器 12

4.1.3霍尔电流传感器 13

4.1.4电光效应与高压检测 13

4.1.5方案选择 14

4.2信息的检测与处理 14

4.2.1电压比较器 14

4.2.2信号采集电路 15

4.2.3检测信号的处理 17

4.3本章小结 18

第5章 控制系统设计 19

5.1 控制系统模块分析 19

5.2单片机控制模块分析 19

5.2.1概述 19

5.2.2 80C51单片机的封装与信号引脚 20

5.3 直流电机驱动模块 21

5.3.1接地装置电机选择 21

5.3.2驱动电路 21

5.4软件设计 24

5.4.1系统程序设计 24

5.4.2 人机操作系统 25

5.5 本章小结 26

第6章 总结与展望 27

参考文献 28

致谢 29

附录一 单片机系统控制源程序 30

附录二 系统电路图 32

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

电力机车的发展异常迅速，相比于其他运输方式有无可比拟的优势。电力机车动力来源是受电弓从接触网获得驱动电能，而接触网的供电电压为25000伏。为了保障机车运行安全，需要定期对机车进行维护，很多时候的检修任务需要作业人员登上车顶对机车进行检查维修。由于接触网高压电的存在，给维修人员登顶作业带来一定的安全隐患。鉴于此，工作人员上机车车顶前应严格遵守登顶作业规范，必须先通知当地供电部门对相应铁路运输区段的接触网断电，并作好接地处理，之后工作人员才能进行下一步维修任务。^[[1]]

在实际维修中由于工作人员未能认真执行登顶作业规范，或者专业能力不足，在接触网带电的情况下登顶作业^[[2]]。造成作业人员被电击身亡的重大事故时有发生，严重威胁铁路部门的生产安全。这就说明电力机车本身发展速度较快，但是机车相关的检测设备却相对迟滞。故设计一套接触网高压电检测及机车接地装置，让该装置强制执行断电程序很有必要。在接触网未断电的情况下，机车天窗盖无法打开，这样可以最大程度的保障检修人员的生命安全，为电力机车安全运营保驾护航。

1.2 国内外研究现状

当前我国电力机车的发展迅猛但是针对电力机车的检修设备的研究却相对迟滞，我国现有的设备操作难度较大、设备性能差、大部分检测结果偏离实际情况^[[3]]。目前，部分国家的对机车整备作业主要采取了现代化机车整备所，可以对机车进行全方位的检修。但这种方式对于在运营过程中在中途发生故障的机车无能为力。目前国内的电力机车检修设备主要有以下几种：

1.2.1 车顶高压报警器

车顶高压报警器是一套检测车顶作业安全情况的电子装置，主要由吸盘式天线和主机箱组成，其中吸盘式天线的作用是感应接触网高压电的电场信号。该装置要实现的功能是：在工作人员准备打开电力机车车顶门时，若接触网有电，则报警器立即报警，从而提醒作业人员注意触电危险。但是这种装置只能检测接触网有无高压电，而且不能保证检测准确性，万一检测失误，后果极其严重。

1.2.2 铁路电力机车登顶作业安全监控装置

该套装置采用了现阶段比较先进的传感器技术，借助于互联网相关技术，使系统更加智能，操作界面也相对简单,装置实现了对登顶作业过程实施全方位监控^[[4]]。系统设置了多级安全保护装置，对工作人员的工作状态即时监控，一旦出现意外，系统会立即采取措施。此外，采用了视频图像识别技术，自动识别机车受电弓的升降状态。应用可编程控制器监控登顶整备作业的每一工作进程。系统还设计了自动接地装置，全方位保障工作人员安全。尽管它的优点很突出，但也存在诸多不足。首先是成本问题，由于采用了较多高新技术自动化设备，这个设备造价较高。一个机务段最多只能装备几台，在全铁路系统推广成本巨大。其次，这套装置装备在固定的地点，并且需要专业的人员操作。需要上车顶检修时，必须把机车调入库内，效率较低。除此之外，检修只能同时检测两台电力机车，导致大量电力机车都停留在整备作业区内。所以急需一种成本低廉、操作简单且可以在机车上大量装备的自动化登顶作业保护装置。

1.3 主要设计内容

1.3.1 接触网高压检测及机车接地装置的总体设计方案

根据现阶段电力机车的实际运营情况和实地的调研，初步对该课题的可行性进行了分析，并对接触网高压电检测及机车接地装置的总体方案设计，主要阐述该系统接触网高压电检测部分，接触网机械接地装置，系统总体控制部分以及各部分的具体联系部分。

1.3.2 安全报警装置的检测部分设计

检测接触网是否带电是此次系统设计的重点之一。在确定总体检测方案的基础上，该部分需要介绍各种检测方式的原理和应用，以及如何保证检测准确和如何抗干扰和该部分用到的传感器的原理和应用。

1.3.3 机车接地装置机械部分设计

机车接地装置的机械部分在电力机车运行时要求稳定安全，能长期适应车顶的恶劣条件。装置升降过程要平稳，启停迅速。在机械装置的设计上要充分考虑到经济实用以及结构要合理可靠。初选剪叉式升降结构，升降装置的动力来源做了调整，传动结构做了一定优化。

1.3.4 接触网高压检测及机车接地装置的控制部分设计

控制部分基于80C51单片机设计，具体包括硬件电路设计和基础软件开发。该系统在高压电检测部分采用了多冗余设计，多种传感器同时工作。需要单片机对信号进行整合分析，发出控制指令。单片机对整个系统的控制体现在根据检测系统给出的结果控制电控锁通断、对接地装置电机的控制以及对报警装置的控制。除此之外，还应包括系统自检。

1.4 本章小结

本章主要对该论文整体设计内容做了概括性介绍，包括该课题的研究背景、国内外现状以及本课题主要研究内容。

第2章 系统总体需求及方案设计

2.1总体需求分析

通过在机务段实地调研以及网上资料的查阅，得出本课题所要求系统需求为：设计出一套能精确接触网是否带有高压电的检测装置、受单片机控制的接地装置和对整个装置进行全方位控制的系统部分。整套装置需要实现的功能是：系统首先进行开机自检，保证整个装置无故障。之后进行接触网高压电检测，若检测到接触网存在高压电，则整个系统电控锁处于闭锁状态，机车车顶天窗盖无法打开。同时。报警装置发出警报，提醒作业人员将接触网断电。直到接地装置升起，再次检测没有高压电时报警解除，此时电控锁可打开。当高压检测系统检测到接触网没有高电压存在时，机车车顶天窗盖可以正常打开，同时为了避免检修过程中接触网意外通电。即使检测到接触网不带电，机械接地装置也会自动升起，使接触网对地短路，充分保证作业人员在机车车顶检修时的生命安全。系统需求顺序如图2-1所示。